Польза железа для организма
Главной функцией железа в организме принято считать образование гемоглобина. Это не удивительно, ведь в его составе содержится три четвертых запасов железа. А вот в составе других белковых структур процент железа относительно невысок – около 5%.
Зачем нужен гемоглобин? Белок, содержащий большое количество железа, связывает молекулы кислорода, которые с кровью переносятся к рабочим тканям и органам. Вот почему снижение количества гемоглобина в крови немедленно сказывается на общем самочувствии и работоспособности. Так что даже незначительная потеря крови чревата для организма нарушениями. Для спортсменов нехватка железа чревата нарушением восстановления после интенсивной физической нагрузки.
В числе других функций железа, можно перечислить такие как:
- Энергетическая подпитка мышц. Самый «дешевый» источник топлива для мышц – это кислород. Благодаря его преобразованию в процессе ряда химических реакций мышца получает энергию для сокращения. Помимо кислорода используются и другие источники энергии. Это фосфаты, содержащиеся в клетках, – креатинфосфат и АТФ, а также гликоген мышц и печени. Однако их запасы слишком малы для поддержания работы длительностью более 1 минуты. Креатинфосфата хватает на работу длительностью до 10 секунд, АТФ – на 2-3 секунды. Чем выше концентрация гемоглобина в крови, тем больше кислорода он способен подать в рабочие ткани и органы. А вот дефицит железа может вызывать мышечные спазмы, усиливающиеся в период покоя (сна, сидения).
- Энергетическая подпитка мозга. Кислород необходим мозгу так же, как и мышцам. Более того, дефицит железа чреват развитием болезни Альцгеймера, деменции (приобретённое слабоумие) и других заболеваний, вызванных нарушениями мозговой деятельности.
- Регуляция температуры тела. Эта функция выполняется железом опосредованно. Стабильность концентрации железа в крови обусловливает адекватность протекания всех метаболических процессов.
- Укрепление иммунитета. Микроэлемент необходим для кроветворения. Белые (лимфоциты) и красные (эритроциты) кровяные клетки формируются в присутствии железа. Первые отвечают за иммунитет, а вторые снабжают кровь кислородом. Если в организме количество железа соответствует норме, он способен самостоятельно противостоять заболеваниям. Как только концентрация железа снижается, инфекционные заболевания дают о себе знать.
- Развитие плода. Во время беременности важно употреблять достаточное количество железа, так как часть расходуется при кроветворении у плода. А вот недостаток железа повышает риск преждевременных родов, провоцирует недостаточный вес у новорожденного и нарушение в развитии.
Как железо взаимодействует в организме
Сама по себе нормальная концентрация железа в организме еще не гарантирует хорошее самочувствие, высокий иммунитет, отсутствие заболеваний и работоспособность. Не менее важно взаимодействие этого микроэлемента с другими веществами, ведь функции одних могут отрицательно влиять на функции других.
Избегайте сочетания железа с:
- витамином Е и фосфатами: нарушается усваивание железа;
- Тетрациклином и фторхинолонами: тормозится процесс всасывание последних;
- Кальцием: нарушается процесс абсорбции железа;
- молоком, кофе и чаем – всасывание железа ухудшается;
- цинком и медью – нарушается процесс всасывания в кишечнике;
- соевым белком – усваивание подавляется;
- хромом: железо подавляет его всасывание.
А вот аскорбиновая кислота, сорбит, фруктоза и янтарная кислота улучшают всасывание железа организмом.
Эти нюансы обязательно учитываются во время приема железосодержащих препаратов, так как можно вместо улучшения самочувствия получить противоположный эффект.
Роль железа в возникновении и течении различных заболеваний
Существует множество заболеваний, при которых употребление продуктов богатых железом может усугубить ситуацию.
Люди с повышенным уровнем железа в организме больше подвержены риску инфекций, сердечных заболеваний и некоторых видов онкологии (особенно мужчины).
В виде свободных радикалов железо провоцирует развитие атеросклероза. То же самое касается ревматоидного артрита. Употребление железа при этом заболевании провоцирует воспаление суставов.
При индивидуальной непереносимости железа употребление некоторых продуктов вызывает изжогу, тошноту, запоры и диарею.
При беременности избыток железа повышает риск развития патологии плаценты (увеличивается свободно-радикальное окисление в результате чего гибнут митохондрии – кислородные «депо» клеток).
При патологических нарушениях усвоения железа повышен риск заболевания гемохроматоз – накопление железа во внутренних органах (печени, сердце, поджелудочной железе).
В каких продуктах содержится железо
Запасы железа пополняют за счет продуктов животного и растительного происхождения. Первые содержат «гемовое» железо, вторые – «негемовое».
Для усвоения гемового употребляют продукты животного происхождения – телятину, говядину, свинину, крольчатину и субпродукты (печень, почки). Для получения пользы от негемового нужно одновременно с железосодержащими продуктами употреблять витамин С .
Рекордсменами по содержанию железа считаются такие продукты растительного происхождения, мг Fe2+:
- арахис – в 200 г продукта содержится 120;
- соя – в 200 г продукта – 8,89;
- картофель – в 200 г продукта – 8,3;
- фасоль белая– в 200 г продукта – 6,93;
- бобы – в 200 г продукта – 6,61;
- чечевица – в 200 г продукта – 6,59;
- шпинат – в 200 г продукта – 6,43;
- свекла (ботва) – в 200 г продукта – 5,4;
- нут – в 100 г продукта – 4,74;
- брюссельская капуста– в 200 г продукта – 3,2;
- капуста белокочанная– в 200 г продукта – 2,2;
- зеленый горошек – в 200 г продукта – 2,12.
Из злаковых в рацион лучше включать овсяную и гречневую крупы, непросеянную муку, ростки пшеницы. Из трав тимьян, сезам (кунжут). Много железа содержится в сушеных белых грибах и лисичках, абрикосах, персиках, яблоках, сливе, айве. А также инжире, гранате и сухофруктах.
В числе продуктов животного происхождения запасы железа в говяжьих почках и печени, рыбе, яйцах (желток). В мясных продуктах – телятине, свинине, крольчатине, индейке. Морепродукты (моллюски, улитки, устрицы). Рыба (скумбрия, горбуша).
Усвояемость железа
Интересно, что при употреблении мясных продуктов железо усваивается на 40-50%, при употреблении рыбных продуктов – на 10%. Рекордсмен по усвоению железа– печень животных.
Из продуктов растительного происхождения процент железа, который усваивается, еще меньше. Из бобовых человек усваивает до 7%, из орехов – 6, из фруктов и яиц – 3, из приготовленных круп – 1.
Совет! Пользу для организма несет рацион, в котором сочетаются продукты растительного и животного происхождения. При добавлении 50 г мяса к овощам усвояемость железа возрастает в два раза. При добавлении 100 г рыбы – в три раза, при добавлении фруктов, содержащих витамин C – в пять раз
Как сохранить железо в пище и его сочетание с другими веществами
При приготовлении продукты теряют часть полезных веществ, и железо не исключение. Железо в продуктах животного происхождения более устойчиво к воздействию высокой температуры. С овощами и фруктами все сложнее – часть железа переходит в воду, в которой готовятся продукты. Единственный выход – минимизировать термическую обработку продуктов растительного происхождения.
Чтобы повысить усвоение железа, употребляйте железосодержащие продукты вместе с витамином С. Достаточно половинки грейпфрута или апельсина, чтобы организм усвоил его в три раза больше. Единственный нюанс – данное правило действует только с железосодержащими продуктами растительного происхождения.
В рационе обязателен витамин А , недостаток которого блокирует способности организма использовать запасы железа для формирования эритроцитов (красные кровяные тельца).
При недостатке меди железо теряет «мобильность», в результате чего нарушается процесс транспортировки полезных веществ из «хранилищ» в клетки и органы. Чтобы этого избежать, включайте в рацион больше бобовых.
Сочетание железа с витаминами группы В : «работоспособность» последних многократно усиливается.
А вот молочную пищу и зерна лучше употреблять отдельно от железосодержащих продуктов, так как они блокируют всасывание микроэлемента в кишечнике.
Суточная норма железа
- до 6 месяцев – 0,3;
- 7-11 месяцев – 11;
- до 3 лет – 7;
- до 13 лет – 8–10.
Подростки:
- от 14 до 18 лет (мальчики) – 11; девочки – 15.
Взрослые:
- мужчины – 8–10;
- женщины до 50 лет – 15–18; старше 50 лет – 8–10, беременные – 25–27.
Чем опасен недостаток железа в организме
Недостаток железа в организме опасен следующим состоянием:
- острой анемией, или малокровием – снижением концентрации гемоглобина в крови, при котором также уменьшается количество эритроцитов и изменяется их качественный состав. Результат малокровия – снижение дыхательной функции крови и развитие кислородного голодания тканей. Распознать острую анемию можно по бледности кожных покровов и повышенной утомляемости. Слабость, регулярная головная боль и головокружение – признаки нехватки железа. Тахикардия (учащенное сердцебиение) и одышка – предвестники проблем с сердцем и легкими;
- утомляемостью и слабостью в мышцах;
- чрезмерными менструальными кровотечениями у женщин.
Недостаток железа в организме приводит к ухудшению состояния кожных покровов, ломкости ногтей, выпадению волос. Ухудшение памяти, повышенная раздражительность – признаки дефицита железа. Снижение работоспособности и постоянная сонливость – предвестники кислородного голодания.
Недостаток железа может быть спровоцирован такими факторами:
- повышенной потерей крови. Первопричиной такого варианта развития событий может быть донорское переливание крови, обильное кровотечение у женщин и повреждения мягких тканей;
- интенсивные физические нагрузки аэробной и аэробно-силовой направленности (те, которые развивают выносливость). Во время таких упражнений эритроцитам приходится быстрее переносить кислород, в результате чего дневной расход гемоглобина может увеличиться почти в два раза;
- активная умственная деятельность. Во время творческой работы активно расходуются не только запасы железа, но и гликогена, запасенного в печени и мышцах;
- заболевания органов желудочно-кишечного тракта: гастрит с пониженной кислотностью, язва двенадцатиперстной кишки, цирроз печени, аутоиммунные заболевания кишечника провоцируют плохое всасывание железа.
Как быстро восполнить недостаток железа
Чтобы восполнить дефицит железа в организме, диетологи рекомендуют употреблять продукты растительного и животного происхождения. Первые являются источником так называемого «негемового» железа, то есть железа, которое не входит в состав гемоглобина. В таких продуктах железо обычно идет в сочетании с витамином С.
Лучше всего дефицит железа восполняют такие «негемовые» продукты как бобовые и зеленые листовые овощи, а также цельные зерна.
«Гемовые» продукты содержат железо, входящее в состав гемоглобина. Наибольшие запасы гемоглобина характерны для всей пищи животного происхождения, а также морепродуктов. В отличие от «негемовых», «гемовые» продукты быстрее восполняют запасы железа, так как организм легче их усваивает.
Совет! Несмотря на то, что «гемовые» продукты быстрее усваиваются организмом, не стоит чрезмерно ими увлекаться. Для восполнения запасов железа лучше всего сочетать продукты растительного и животного происхождения, например, зеленые листовые овощи и красные сорта мяса
Однако важно помнить о секретах приготовления пищи, ведь именно от способов приготовления зависит конечный процент железа в продуктах питания. Например, цельные зерна при переработке теряют около 75% запасов железа. Вот почему мука из цельных зерен практически не несет пользы для организма. Примерно то же самое происходит при приготовлении пищи растительного происхождения при помощи варки – часть железа остается в составе воды. Если варить шпинат в течение 3 мин., от запасов железа останется не более 10%.
Если хотите получить максимальную пользу от продуктов питания растительного происхождения, старайтесь избегать длительной термической обработки и минимизируйте количество воды. Идеальный способ приготовления – на пару.
С продуктами животного происхождения все намного проще – железо, входящее в состав гемоглобина, обладает высокой устойчивостью к термической обработке.
Что нужно знать об избытке железа в организме
Несправедливым было бы полагать, что опасность для здоровья представляет исключительно недостаток железа. Его избыток также чреват неприятными симптомами. Из-за чрезмерного накопления железа в организме нарушается работа многих функциональных систем.
Причины передозировки. Чаще всего причиной повышенной концентрации микроэлемента становится генетический сбой, в результате которого увеличивается всасываемость железа кишечником. Реже – переливание крови в большом количестве и неконтролируемое использование железосодержащих препаратов. Последнее случается при самостоятельном увеличении дозы железосодержащего препарата при пропуске очередного приема.
При избытке железа в организме обычно бывает такое:
- изменяется пигментации кожи (симптомы часто путают с гепатитом) – желтеют ладони, подмышки, темнеют старые шрамы. Склеры, нёбо ротовой полости и язык также приобретают желтоватый оттенок;
- нарушается сердечный ритм, увеличивается печень;
- снижается аппетит, повышается утомляемость, учащаются приступы головной боли;
- нарушается деятельность органов пищеварения – тошнота и рвота чередуются с диареей, в области желудка появляется ноющая боль;
- снижается иммунитет;
- повышается вероятность развития инфекционных и опухолевых патологий, например, рака печени и кишечника, а также развитие ревматоидного артрита.
Препараты, содержащие железо
К препаратам железа относят медикаменты, содержащие соли и комплексы соединений микроэлемента, а также его сочетания с другими минералами.
Во избежание патологических состояний и осложнений железосодержащие препараты следует принимать только по предписанию врача после ряда анализов. В противном случае избыток железа может привести к нарушению работы сердца, печени, желудка, кишечника и головного мозга.
- запиваются небольшим количеством воды;
- несочетаемы с препаратами кальция, Тетрациклином, Левомицетином, а также антацидами (Альмагель, Фосфалюгель и т. д.);
- принимаются в строгой дозировке. Если по каким-то причинам очередной прием препарат был пропущен, следующая доза остается неизменной. Передозировка железа (300 миллиграммов в сутки) может привести к летальному исходу;
- минимальный курс – два месяца. В течение первого месяца нормализуются показатели гемоглобина и эритроцитов. В дальнейшем приём препаратов направлен на восполнение запасов железа (наполнение «депо»). Дозировка в течение второго месяца снижается.
Следует помнить, что даже при соблюдении всех мер предосторожности прием железосодержащих препаратов может стать причиной таких побочных эффектов как гиперемия кожи, тошнота, снижение аппетита, сонливость, головная боль, нарушение деятельности органов пищеварения (запор, диарея, кишечная колика, изжога и отрыжка), металлический привкус во рту. В некоторых случаях могут потемнеть зубы (в полости рта содержится сероводород, который при взаимодействии с железом преобразуется в сульфид железа).
Совет! Чтобы избежать потемнения зубов (особенно актуально при кариесе), сразу же после приема железосодержащих препаратов ротовую полость нужно прополоскать. Если препарат выпускается в жидкой лекарственной форме, его лучше принимать через трубочку. При появлении любого из этих симптомов прием лекарств нужно немедленно прекратить
Обзор железосодержащих средств подан ниже.
В числе наиболее часто назначаемых препаратов железа Конферон, Феракрил, Феррум лек, Гемостимулин. Их преимущества – максимально точная дозировка и минимум побочных эффектов.
Дозировка препарата рассчитывается индивидуально – 2 мг на 1 кг массы тела пациента (но не более 250 мг в сутки). Для лучшего всасывания лекарства принимают во время пищи, запивая небольшим количеством жидкости.
Положительные изменения (увеличение количества ретикулоцитов) диагностируют уже через неделю после начала приема средств. Еще через две-три недели увеличивается концентрация гемоглобина.
| Препарат | Форма выпуска | Состав |
| Гемоферпролонгатум | Таблетки, покрытые оболочкой, массой 325 мг | Сульфат железа, в одной таблетке – 105 мг Fe2+ |
| Тардиферон | Таблетки пролонгированного действия | Мукопротеоза и аскорбиновая кислота, в одной таблетке – 80 мг Fe2+ |
| Ферроглюконат и Ферронал | Таблетки по 300 мг | Глюконат железа, в одной таблетке – 35 мг Fe2+ |
| Ферроградумет | Таблетки, покрытые оболочкой | Сульфат железа плюс пластическая матрица – градумет, в одной таблетке – 105 мг Fe2+ |
| Хеферол | Капсулы по 350 мг | Фумаровая кислота, в одной таблетке – 100 мг Fe2+ |
| Актиферрин | Капсулы, капли оральные, сироп | Сульфат железа, D, L-серин (капсулы и капли оральные) и сульфат железа, D, L-серин, глюкозу, фруктозу, сорбат калия (сироп). В 1 капсуле и 1 мл сиропа – 38,2 мг Fe2+, в 1 мл капель, в 1 мл сиропа – и 34,2 мг Fe2+ |
| Гемсинерал-ТД | Капсулы | Микрогранулы фумарата железа, фолиевой кислоты, цианокобаламина. В одной капсуле – 67 мг Fe2+ |
| Гино-тардиферон | Таблетки | Сульфат железа, фолиевая и аскорбиновая кислоты, мукопротеоза. В одной таблетке – 80 мг Fe2+ |
| Глобирон | Желатиновые капсулы по 300 мг | Железа фумарат, витамины В6, В12, фолиевая кислота, докузат натрия. В одной капсуле – 100 мг Fe2+ |
| Ранферон-12 | Капсулы по 300 мг | Железа фумарат, аскорбиновая и фолиевая кислоты, цианокобаламин, цинка сульфат, железа аммонийного цитрат. В одной капсуле – 100 мг Fe2+ |
| Сорбифердурулес | Таблетки, покрытые оболочкой, с пролонгированным высвобождением ионов железа | Железа сульфат, аскорбиновая кислота, матрица (дурулес). В одной таблетке – 100 мг Fe2+ |
| Тотема | Раствор для перорального приема в ампулах по 10 мл | Железа глюконат, марганец, медь, а также бензоат, цитрат натрия и сахароза. В одной ампуле – 50 мг Fe2+ |
| Хеферол | Капсулы по 350 мг | Фумаровая кислота. В одной капсуле – 100 мг Fe2+ |
| Фенюльс | Капсулы | Железа сульфат, фолиевая и аскорбиновая кислоты, тиамин. А также рибофлавин, цианокобаламин, пиридоксин, фруктоза, цистеин, кальция пантотенат, дрожжи. В одной капсуле – 45 мг Fe2+ |
Противопоказания к приему железосодержащих препаратов
|
|
|
|
|
|
Условные противопоказания: |
|
|
|
Инъекции железа и их особенности описано ниже. Помимо железосодержащих капсул и таблеток, назначаются инъекции. Их прием необходим при:
- хронических патологиях органов пищеварения, сопровождаемых пониженной всасываемостью железа. Диагнозы: панкреатит (воспаление поджелудочной железы), синдром мальабсорбции, целиакия, энтерит;
- язвенном колите неспецифического характера;
- непереносимости солей железа или гиперчувствительности с аллергическими проявлениями;
- язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки в периоды обострения;
- постоперационный период после удаления части желудка или тонкого кишечника.
Преимуществом инъекций является быстрое и максимальное насыщение железом по сравнению с другими формами выпуска препаратов.
Важно! При приеме таблеток и капсул максимальная доза не должна превышать 20-50 мг (при приеме 300 мг железа возможен летальный исход). При инъекции максимальной дозой считается 100 мг препарата железа
Побочные эффекты при введении железа с помощью инъекции: уплотнения (инфильтраты) тканей в месте введения препарата, флебиты, абсцессы, аллергическая реакция (в худшем случае – сразу развивается анафилактический шок), ДВС-синдром, передозировка железа.
Разновидности препаратов поданы в таблице
| Препарат | Форма выпуска | Состав |
| Феррум Лек (внутримышечно) | Ампулы по 2 мл | Гидроксид железа и декстран. В одной ампуле – 100 мг Fe2+ |
| Венофер (внутривенно) | Ампулы по 5 мл | Железа гидроксид сахарозных комплексов. В одной ампуле – 100 мг Fe2+ |
| Ферковен (внутривенно) | Ампулы по 1 мл | Железа сахарат, раствор углеводов и глюконат кобальта. В одной ампуле – 100 мг Fe2+ |
| Жектофер (внутримышечно) | Ампулы по 2 мл | Железо-сорбитол-лимонно-кислый комплекс |
| Феррлецит (раствор – внутримышечно, ампулы – внутривенно) | Раствор для инъекций в ампулах по 1 и по 5 мл | Железоглюконатный комплекс |
| Фербитол (внутримышечно) | Ампулы по 1 мл | Железосорбитоловый комплекс |
Железо — всем известный химический элемент. Он относится к средним по химической активности металлам. Свойства и применение железа мы рассмотрим в этой статье.
Распространенность в природе
Существует довольно большое количество минералов, в состав которых входит феррум. Прежде всего, это магнетит. Он на семьдесят два процента состоит из железа. Его химическая формула — Fe 3 O 4 . Данный минерал еще называют магнитный железняк. Он обладает светло-серым цветом, иногда с темно-серым, вплоть до черного, с металлическим блеском. Наибольшее его месторождение среди стран СНГ находится на Урале.
Следующий минерал с высоким содержанием железа — гематит — он на семьдесят процентов состоит из данного элемента. Его химическая формула — Fe 2 O 3 . Его еще называют красным железняком. Он обладает окраской от красно-коричневой до красно-серой. Наибольшее месторождение на территории стран СНГ находится в Кривом Роге.
Третий по содержанию феррума минерал — лимонит. Здесь железа шестдесят процентов от общей массы. Это кристаллогидрат, то есть в его кристаллическую решетку вплетены молекулы воды, его химическая формула — Fe 2 O 3 .H 2 O. Как понятно из названия, данный минерал имеет желто-коричневатый цвет, изредка бурый. Он является одной из главных составляющих природных охр и используется в качестве пигмента. Его также называют бурый железняк. Самые крупные места залегания — Крым, Урал.
В сидерите, так называемом шпатовом железняке, сорок восемь процентов феррума. Его химическая формула — FeCO 3 . Его структура неоднородна и состоит из соединенных вместе кристаллов разного цвета: серых, бледно-зеленых, серо-желтых, коричнево-желтых и др.
Последний часто встречающийся в природе минерал с высоким содержанием феррума — пирит. Он обладает такой химической формулой FeS 2 . Железа в нем находится сорок шесть процентов от общей массы. Благодаря атомам серы данный минерал имеет золотисто-желтую окраску.
Многие из рассмотренных минералов применяются для получения чистого железа. Кроме того, гематит используют в изготовлении украшений из натуральных камней. Вкрапления пирита могут иметься в украшениях из лазурита. Кроме этого, в природе железо встречается в составе живых организмов — оно является одним из важнейших компонентов клетки. Данный микроэлемент обязательно должен поступать в организм человека в достаточном количестве. Лечебные свойства железа во многом связаны с тем, что данный химический элемент является основой гемоглобина. Поэтому употребление феррума хорошо сказывается на состоянии крови, а следовательно, и всего организма в целом.
Железо: физические и химические свойства
Рассмотрим по порядку два этих больших раздела. железа — это его внешний вид, плотность, температура плавления и т. д. То есть все отличительные черты вещества, которые связаны с физикой. Химические свойства железа — это его способность вступать в реакцию с другими соединениями. Начнем с первых.
Физические свойства железа
В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все.
Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, - единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.
С точки зрения химии
Данный элемент относится к металлам средней активности. Но химические свойста железа являются типичными и для всех остальных металлов (кроме тех, которые находятся правее водорода в электрохимическом ряду). Оно способно реагировать со многими классами веществ.
Начнем с простых
Феррум вступает во взаимодействие с килородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Первое, что нужно рассмотреть, - реакции с оксигеном. При сжигании феррума образуются его оксиды. В зависимости от условий проведения реакции и пропорций между двумя участниками они могут быть разнообразными. Как пример такого рода взаимодействиям можно привести следующие уравнения реакций: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 ; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 . И свойства оксида железа (как физические, так и химические) могут быть разнообразными, в зависимости от его разновидности. Такого рода реакции происходят при высоких температурах.
Следующее — взаимодействие с азотом. Оно также может произойти только при условии нагревания. Если взять шесть молей железа и один моль азота, получим два моля нитрида железа. Уравнение реакции будет выглядеть следующим образом: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
При взаимодействии с фосфором образуется фосфид. Для проведения реакции необходимы такие компоненты: на три моля феррума - один моль фосфора, в результате образуется один моль фосфида. Уравнение можно записать следующим образом: 3Fe + P = Fe 3 P.
Кроме того, среди реакций с простыми веществами можно также выделить взаимодействие с серой. При этом можно получить сульфид. Принцип, по которому происходит процесс образования данного вещества, подобен описанным выше. А именно происходит реакция присоединения. Для всех химических взаимодействий подобного рода нужны специальные условия, в основном это высокие температуры, реже — катализаторы.
Также распространены в химической промышленности реакции между железом и галогенами. Это хлорирование, бромирование, йодирование, фторирование. Как понятно из названий самих реакций, это процесс присоединения к атомам феррума атомов хлора/брома/йода/фтора с образованием хлорида/бромида/йодида/фторида соответственно. Данные вещества широко используются в разнообразных отраслях промышленности. Кроме того, феррум способен соединяться с кремнием при высоких температурах. Благодаря тому что химические свойства железа разнообразны, его часто используют в химической отрасли промышленности.
Феррум и сложные вещества
От простых веществ перейдем к тем, молекулы которых состоят из двух и более различных химических элементов. Первое, что нужно упомянуть, - реакцию феррума с водой. Здесь проявляются основные свойства железа. При нагревании воды вместе с железом образуется (называется он так потому, что при взаимодействии с той же водой образует гидроксид, по-другому говоря — основание). Итак, если взять по одному молю обоих компонентов, образуются такие вещества, как диоксид феррума и водород в виде газа с резким запахом — также в молярных пропорциях один к одному. Уравнение такого рода реакции можно записать следующим образом: Fe + H 2 O = FeO + H 2 . В зависимости от пропорций, в которых смешать эти два компонента, можно получить ди- либо триоксид железа. Оба этих вещества очень распространены в химической промышленности, а также используются во многих других отраслях.
С кислотами и солями
Так как феррум находится левее водорода в электрохимическом ряду активности металлов, он спосособен вытеснять данный элемент из соединений. Примером этому является реакция замещения, которую можно наблюдать при добавлении железа к кислоте. Например, если смешать в одинаковых молярных пропорциях железо и сульфатную кислоту (она же серная) средней концентрации, в результате получим сульфат железа (ІІ) и водород в одинаковых молярных пропорциях. Уравнение такой реакции будет выглядеть таким образом: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .
При взаимодействии с солями проявляются восстановительные свойства железа. То есть с помощью него можно выделить менее активный металл из соли. Например, если взять один моль и столько же феррума, то можно получить сульфат железа (ІІ) и чистую медь в одинаковых молярных пропорциях.
Значение для организма
Один из самых распространенных в земной коре химических элементов — железо. мы уже рассмотрели, теперь подойдем к нему с биологической точки зрения. Феррум выполняет очень важные функции как на клеточном уровне, так и на уровне всего организма. В первую очередь железо является основой такого белка, как гемоглобин. Он необходим для транспорта кислорода по крови от легких ко всем тканям, органам, к каждой клетке организма, в первую очередь к нейронам головного мозга. Поэтому полезные свойства железа невозможно переоценить.
Кроме того что он влияет на кровеобразование, феррум также важен для полноценного функционирования щитовидной железы (для этого нужен не только йод, как некоторые считают). Также железо принимает участие во внутриклеточном обмене веществ, регулирует иммунитет. Еще феррум в особенно большом количестве содержится в клетках печени, так как помогает нейтрализовать вредные вещества. Также он является одним из главных компонентов многих видов ферментов нашего организма. В суточном рационе человека должно содержаться от десяти до двадцати миллиграмм данного микроэлемента.
Продукты, богатые железом
Таких немало. Они есть как растительного, так и животного происхождения. Первые — это злаки, бобовые, крупы (в особенности гречка), яблоки, грибы (белые), сухофрукты, шиповник, груши, персики, авокадо, тыква, миндаль, финики, помидоры, брокколи, капуста, черника, ежевика, сельдерей и др. Вторые — печень, мясо. Употребление продуктов с высоким содержанием железа особенно важно в период беременности, так как организм формирующегося плода требует большого количества данного микроэлемента для полноценного роста и развития.
Признаки недостатка в организме железа
Симптомами слишком маленького количества феррума, поступающего в организм, являются усталость, постоянное замерзание рук и ног, депрессии, ломкость волос и ногтей, снижение интеллектуальной активности, пищеварительные расстройства, низкая работоспособность, нарушения в работе щитовидной железы. Если вы заметили несколько из этих симптомов, то стоит увеличить количество продуктов с содержанием железа в своем рационе либо купить витамины или пищевые добавки с содержанием феррума. Также обязательно нужно обратиться к врачу, если какие-либо из этих симптомов вы ощущаете слишком остро.
Использование феррума в промышленности
Применение и свойства железа тесно связаны. В связи с его ферромагнитностью, его применяют для изготовления магнитов — как более слабых для бытовых целей (сувенирные магниты на холодильник и т. д.), так и более сильных — для промышленных целей. В связи с тем что рассматриваемый металл обладает высокой прочностью и твердостью, его с древности использовали для изготовления оружия, доспехов и других военных и бытовых инструментов. К слову, еще в Древнем Египте было известно метеоритное железо, свойства которого превосходят таковые у обычного металла. Также такое особенное железо использовалось и в Древнем Риме. Из него изготавливали элитное оружие. Щит или меч, выполненный из метеоритного металла, мог иметь только очень богатый и знатный человек.
Вообще, металл, который мы рассматриваем в данной статье, является самым разносторонне используемым среди всех веществ данной группы. Прежде всего, из него изготавливаются сталь и чугун, которые применяются для производства всевозможных изделий, необходимых как в промышленности, так и в повседневной жизни.
Чугуном называется сплав железа и углерода, в котором второго присутствует от 1,7 до 4,5 процента. Если второго меньше, чем 1,7 процента, то такого рода сплав называется сталью. Если углерода в составе присутствует около 0,02 процента, то это уже обыкновенное техническое железо. Присутствие в сплаве углерода необходимо для придания ему большей прочности, термоустойчивости, стойкости к ржавлению.
Кроме того, в стали может содержаться много других химических элементов в качестве примесей. Это и марганец, и фосфор, и кремний. Также в такого рода сплав для придания ему определенных качеств могут быть добавлены хром, никель, молибден, вольфрам и многие другие химические элементы. Виды стали, в которых присутствует большое количество кремния (около четырех процентов), используются в качестве трансформаторных. Те, в составе которых много марганца (вплоть до двенадцати-четырнадцати процентов), находят свое применение при изготовлении деталей железных дорог, мельниц, дробилок и других инструментов, части которых подвержены быстрому стиранию.
Молибден вводят в состав сплава, чтобы сделать его более термоустойчивым — такие стали используются в качестве инструментальных. Кроме того, для получения всем известных и часто используемых в быту в виде ножей и других бытовых инструментов нержавеющих сталей необходимо добавление в сплав хрома, никеля и титана. А для того чтобы получить ударостойкую, высокопрочную, пластичную сталь, достаточно добавить к ней ванадий. При вводе в состав ниобия можно добиться высокой устойчивости к коррозии и воздействию химически агрессивных веществ.
Минерал магнетит, который был упомянут в начале статьи, нужен для изготовления жестких дисков, карт памяти и других устройств подобного типа. Благодаря магнитным свойствам, железо можно найти в устройстве трансформаторов, двигателей, электронных изделий и др. Кроме того, феррум могут добавлять в сплавы прочих металлов для придания им большей прочности и механической устойчивости. Сульфат данного элемента применяют в садоводстве для борьбы с вредителями (наряду с сульфатом меди).
Являются незаменимыми при очистке воды. Кроме того, порошок магнетита используется в черно-белых принтерах. Главный способ применения пирита — получение из него серной кислоты. Данный процесс происходит в лабораторных условиях в три этапа. На первой стадии пирит феррума сжигают, получая при этом оксид железа и диоксид серы. На втором этапе происходит превращение диоксида сульфура в его триоксид при участии кислорода. И на завершающей стадии полученное вещество пропускают через в присутствии катализаторов, тем самым и получая серную кислоту.
Получение железа
В основном добывают данный металл из двух основных его минералов: магнетита и гематита. Делают это с помощью восстановления железа из его соединений углеродом в виде кокса. Делается это в доменных печах, температура в которых достигает двух тысяч градусов по шкале Цельсия. Кроме того, есть способ восстановления феррума водородом. Для этого необязательно наличие доменной печи. Для осуществления данного метода берут специальную глину, смешивают ее с измельченной рудой и обрабатывают водородом в шахтной печи.
Заключение
Свойства и применение железа разнообразны. Это, пожалуй, самый важный в нашей жизни металл. Став известным человечеству, он занял место бронзы, которая на тот момент была основным материалом для изготовления всех орудий труда, а также оружия. Сталь и чугун во многом превосходят сплав меди с оловом с точки зрения своих физических свойств, устойчивости к механическим воздействиям.
Кроме того, железо на нашей планете более распространено, чем многие другие металлы. его в земной коре составляет почти пять процентов. Это четвертый по распространенности в природе химический элемент. Также данный химический элемент очень важен для нормального функционирования организма животных и растений, прежде всего потому, что на его основе построен гемоглобин. Железо является важнейшим микроэлементом, употребление которого важно для поддержания здоровья и нормальной работы органов. Кроме вышеперечисленного, это единственный металл, который обладает уникальными магнитными свойствами. Без феррума невозможно представить нашу жизнь.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Железо - элемент восьмой группы четвёртого периода Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.
А томный номер — 26. Символ – Fe (лат. «ferrum»). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Физические свойства железа
Железо – металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3d 6 4s 2 . В своих соединениях железо проявляет степени окисления «+2» и «+3». Температура плавления железа – 1539С. Железо образует две кристаллические модификации: α- и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая – кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 и от 1394С до температуры плавления. Между 912 и 1394С устойчиво γ-железо.
Механические свойства железа зависят от его чистоты – содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов. Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы.
Химические свойства железа
Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т.е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида железа (III):
2Fe + 3/2O 2 + nH 2 O = Fe 2 O 3 ×H 2 O.
При недостатке кислорода или при затрудненном доступе образуется смешанный оксид (II, III) Fe 3 O 4:
3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2 .
Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 .
Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .
В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа (III):
2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
Однако, в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит. В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:
Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO +2H 2 O.
При высоких концентрациях азотной кислоты растворение замедляется и железо становится пассивным.
Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами. Реакции взаимодействия железа с галогенами (вне зависимости от типа галогена) протекают при нагревании. Взаимодействие железа с бромом протекает при повышенном давлении паров последнего:
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3 ;
3Fe + 4I 2 = Fe 3 I 8 .
Взаимодействие железа с серой (порошок), азотом и фосфором также происходит при нагревании:
6Fe + N 2 = 2Fe 3 N;
2Fe + P = Fe 2 P;
3Fe + P = Fe 3 P.
Железо способно реагировать с такими неметаллами, как углерод и кремний:
3Fe + C = Fe 3 C;
Среди реакций взаимодействия железа со сложными веществами особую роль играют следующие реакции — железо способно восстанавливать металлы, стоящие в ряду активности правее него, из растворов солей (1), восстанавливать соединения железа (III) (2):
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu (1);
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2 (2).
Железо, при повышенном давлении, реагирует с несолеобразующим оксидом – СО с образованием веществ сложного состава – карбонилов — Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12 .
Железо при отсутствии примесей устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей.
Получение железа
Основной способ получения железа – из железной руды (гематит, магнетит) или электролиз растворов его солей (в этом случае получают «чистое» железо, т.е. железо без примесей).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Железная окалина Fe 3 O 4 массой 10 г была сначала обработана 150 мл раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл) с массовой долей хлороводорода 20%, а затем в полученный раствор добавили избыток железа. Определите состав раствора (в % по массе). |
| Решение |
Запишем уравнения реакций согласно условию задачи:
8HCl + Fe 3 O 4 = FeCl 2 +2FeCl 3 + 4H 2 O (1); 2FeCl 3 + Fe = 3FeCl 2 (2). Зная плотность и объем раствора соляной кислоты, можно найти его массу: m sol (HCl) = V(HCl) × ρ (HCl); m sol (HCl) = 150×1,1 = 165 г. Рассчитаем массу хлороводорода: m(HCl) = m sol (HCl) ×ω(HCl)/100%; m(HCl) = 165×20%/100% = 33 г. Молярная масса (масса одного моль) соляной кислоты, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 36,5 г/моль. Найдем количество вещества хлороводорода: v(HCl) = m(HCl)/M(HCl); v(HCl) = 33/36,5 = 0,904 моль. Молярная масса (масса одного моль) окалины, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 232 г/моль. Найдем количество вещества окалины: v(Fe 3 O 4) = 10/232 = 0,043 моль. Согласно уравнению 1, v(HCl): v(Fe 3 O 4) = 1:8, следовательно, v(HCl) = 8 v(Fe 3 O 4) = 0,344 моль. Тогда, количество вещества хлородорода, рассчитанное по уравнению (0,344 моль) будет меньше, чем указанное в условии задачи (0,904 моль). Следовательно, соляная кислота находится в избытке и будет протекать еще одна реакция: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (3). Определим количество вещества хлоридов железа, образующихся в результате первой реакции (индексами обозначим конкретную реакцию): v 1 (FeCl 2):v(Fe 2 O 3) = 1:1 = 0,043 моль; v 1 (FeCl 3):v(Fe 2 O 3) = 2:1; v 1 (FeCl 3) = 2×v(Fe 2 O 3) = 0,086 моль. Определим количество хлороводорода, которое не прореагировало в реакции 1 и количество вещества хлорида железа (II), образовавшееся в ходе реакции 3: v rem (HCl) = v(HCl) – v 1 (HCl) = 0,904 – 0,344 = 0,56 моль; v 3 (FeCl 2): v rem (HCl) = 1:2; v 3 (FeCl 2) = 1/2×v rem (HCl) = 0,28 моль. Определим количество вещества FeCl 2 , образовавшегося в ходе реакции 2, общее количество вещества FeCl 2 и его массу: v 2 (FeCl 3) = v 1 (FeCl 3) = 0,086 моль; v 2 (FeCl 2): v 2 (FeCl 3) = 3:2; v 2 (FeCl 2) = 3/2× v 2 (FeCl 3) = 0,129 моль; v sum (FeCl 2) = v 1 (FeCl 2) + v 2 (FeCl 2) + v 3 (FeCl 2) = 0,043+0,129+0,28 = 0,452 моль; m(FeCl 2) = v sum (FeCl 2) ×M(FeCl 2) = 0,452×127 = 57,404 г. Определим количество вещества и массу железа, вступившего в реакции 2 и 3: v 2 (Fe): v 2 (FeCl 3) = 1:2; v 2 (Fe) = 1/2× v 2 (FeCl 3) = 0,043 моль; v 3 (Fe): v rem (HCl) = 1:2; v 3 (Fe) = 1/2×v rem (HCl) = 0,28 моль; v sum (Fe) = v 2 (Fe) + v 3 (Fe) = 0,043+0,28 = 0,323 моль; m(Fe) = v sum (Fe) ×M(Fe) = 0,323 ×56 = 18,088 г. Вычислим количество вещества и массу водорода, выделившегося в реакции 3: v(H 2) = 1/2×v rem (HCl) = 0,28 моль; m(H 2) = v(H 2) ×M(H 2) = 0,28 ×2 = 0,56 г. Определяем массу полученного раствора m’ sol и массовую долю FeCl 2 в нём: m’ sol = m sol (HCl) + m(Fe 3 O 4) + m(Fe) – m(H 2); |
(т.н. метеоритное железо, которое содержит более 90% Fe). В соединениях с кислородом и другими элементами широко распространено в составе многих минералов и руд. По распространенности в земной коре (5,00%) это третий (после кремния и алюминия) элемент; считается, что земное ядро состоит в основном из железа. Основные минералы - гематит (красный железняк) Fe 2 O 3 ; лимонит Fe 2 O 3 ·nH 2 O (n = 1 - 4), содержащийся, например, в болотной руде; магнетит (магнитный железняк) Fe 3 O 4 и сидерит FeCO 3 . Наиболее распространенным минералом железа, не являющимся, однако, источником его получения, является пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS 2 , который иногда называют за его желтый блеск золотом дураков или кошачьим золотом , хотя он в действительности часто содержит небольшие примеси меди , золота , кобальта и других металлов.
| СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА | |
|---|---|
| Атомный номер | 26 |
| Атомная масса | 55,847 |
| Изотопы : | |
| стабильные | 54, 56, 57, 58 |
| нестабильные | 52, 53, 55, 59 |
| Температура плавления , °С | 1535 |
| Температура кипения , °С | 3000 |
| Плотность , г/см3 | 7,87 |
| Твердость (по Моосу) | 4,0-5,0 |
| Содержание в земной коре, % (масс.) | 5,00 |
| Степень окисления: | |
| характерная | +2, +3 |
| прочие значения | +1, +4, +6 |
История
Железо (элементное) известно и используется с доисторических времен. Первые изделия из железа, вероятно, были изготовлены из метеоритного железа в виде амулетов, драгоценностей и рабочего инструмента. Около 3500 лет назад человек открыл способ восстановления красной земли, содержащей оксид железа, в металл . С тех пор из железа было изготовлено огромное количество различных изделий. Оно сыграло важную роль в развитии материальной культуры человечества. В наши дни железо в основном (95%) выплавляют из руд в виде чугунов и сталей и в сравнительно небольших количествах получают восстановлением металлизованных окатышей, а чистое железо - термическим разложением его соединений или электролизом солей .
Свойства
Металлическое железо представляет собой серовато-белое блестящее твердое пластичное вещество. Железо кристаллизуется в трех модификациях (α, γ, δ). α-Fe имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку , химически устойчиво до 910°С. При 910°С α-Fe переходит в γ-Fe, стабильное в интервале 910-1400°С; γ-Fe кристаллизуется в гранецентрированной кубической кристаллической решетке . При температуре выше 1400°С образуется δ-Fe с решеткой, в основном аналогичной решетке α-Fe. Железо - ферромагнетик, оно легко намагничивается, но теряет магнитные свойства при снятии магнитного поля . С повышением температуры магнитные свойства железа ухудшаются и выше 769°С оно практически не поддается намагничиванию (иногда железо в интервале 769-910°С называют &betta;-Fe); γ-Fe не является магнитным материалом.
Использование
Железо - один из самых пригодных к эксплуатации металлов в сплаве с углеродом (сталь , чугун) - высокопрочная основа конструкционных материалов. Как материал, обладающий магнитными свойствами, железо используется для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, а также в качестве слоев и пленок на магнитных лентах. Чистое железо - катализатор в химических процессах, компонент лекарственных средств в медицине.
Железо как химический компонент организма
Железо является существенным химическим компонентом организмов многих позвоночных, беспозвоночных и некоторых растений. Оно входит в состав гема (пигмента эритроцитов - красных кровяных клеток) гемоглобина крови, мышечных тканей, костного мозга, печени и селезенки. Каждая молекула гемоглобина содержит 4 атома железа, которые способны создавать обратимую и непрочную связь с кислородом , образуя оксигемоглобин. Кровь, содержащая оксигемоглобин, циркулирует по телу, поставляя кислород к тканям для клеточного дыхания. Поэтому железо необходимо для дыхания и образования красных кровяных клеток. Миоглобин (или мышечный гемоглобин) снабжает кислородом мышцы. Общее количество железа в человеческом теле (средней массы 70 кг) составляет 3-5 г. Из этого количества 65% Fe находится в гемоглобине. От 10 до 20 мг Fe ежедневно требуется для обеспечения нормального метаболизма среднего взрослого. Красное мясо, яйца, желток, морковь, фрукты, любая пшеница и зеленые овощи в основном обеспечивают организм железом при нормальном питании; при анемии, связанной с недостатком железа в организме, принимают лекарственные препараты железа.
Железо как хим. элемент
С химической точки зрения железо - довольно активный металл , проявляет характерные степени окисления +2, +3, реже +1, +4, +6. Непосредственно соединяется с некоторыми элементами, с S образует FeS - сульфид железа(III), с галогенами , кроме иода , - галогениды железа(III), такие, как FeCl 3 . Легко окисляется; с кислородом дает оксиды FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 (FeO + Fe 2 O 3), легко корродирует (ржавеет). Вытесняет водород из паров воды при высокой температуре . Растворяется в разбавленных кислотах (например, HCl, H 2 SO 4 , HNO 3), вытесняя водород и образуя соли Fe(II) (соответственно FeCl 2 , FeSO 4 , Fe(NO 3) 2). В умеренно концентрированных H 2 SO 4 и HNO 3 железо растворяется с образованием солей Fe(III), а в сильноконцентрированных - пассивируется и не реагирует. Пассивность железа, по-видимому, объясняется образованием на его поверхности пленки оксида железа, которая, однако, легко разрушается при простом соскабливании.
Коррозия железа
Ржавление железа (атмосферная коррозия железа) - это окисление его кислородом воздуха . Реакция происходит в присутствии ионов солей , растворенных в воде , и ионов , образующихся при диссоциации угольной кислоты - продукта взаимодействия атмосферного углекислого газа и влаги . В результате образуется рыхлая ржавчина красного цвета, или гидратированный оксид состава Fe 2 O 3 ·nH 2 O.
Соединения
Комплексные соединения
| Химические элементы и материалы |
||
|---|---|---|
| Химические элементы | ||
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Железо - двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.
Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.
К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O и шпатовый железняк FeCO 3 .
Железо - серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты - от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.
Рис. 1. Железо. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса железа
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.
Аллотропия и аллотропные модификации железа
Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая - кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.
Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394 o С - больше.
Изотопы железа
Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.
Ионы железа
Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Fe 0 -2e → Fe 2+ ;
Fe 0 -3e → Fe 3+ .
Молекула и атом железа
В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:
Сплавы железа
До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.
В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Элементарный состав вещества следующий: массовая доля элемента железа 0,7241 (или 72,41%), массовая доля кислорода 0,2759 (или 27,59%). Выведите химическую формулу. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов железа в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O); x:y = 72,41/56: 27,59/16; x:y = 1,29: 1,84. Наименьшее число примем за единицу (т.е. все числа разделим на наименьшее число 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Следовательно, простейшая формула соединения железа с кислородом имеет вид Fe 2 O 3 . |
| Ответ | Fe 2 O 3 |